用于LTE移动通信的宽带定向耦合器设计

徐立勤，仲 进

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）

0 引言

随着LTE移动通信牌照的发放，我国正式进入4G通信时代。而作为无线通信核心器件的定向耦合的设计就有了十分重要的现实意义。针对我国LTE移动通信有TD-LTE和FDD-LTE两种制式并具有 1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多个频段的特点，设计一个1.75 GHz～2.7 GHz的宽带定向耦合器将是一个可行的办法。对于宽带定向耦合的设计，已有一些文献提出多种方法。如运用CBCPW和微带线多层缝隙耦合技术[1-2]，利用有机介质基片实现宽带[3]，或通过半导体材料来拓展耦合器带宽[4]等。本文在满足工程应用的情况下，通过在输入端加入匹配网络来改善耦合器的耦合端和直通端的性能，从而实现宽带特性[5-8]。为了增加加工精确度，在匹配网络中加入缺陷地结构（DGS）改善了微带线的宽度[9]。同时，阶梯阻抗结构的引入使匹配网络的调节更加灵活[10-11]。

1 耦合器的结构

1.1 匹配网络结构

为了改善直通端和耦合端的特性，使其能达到宽带的要求，在耦合器的输入端加入如图1所示的匹配网络[5-8]，其中θ为λ/4的电长度。为了更好地调节耦合器的带宽，在此匹配网络中，引入了阶梯阻抗结构[9-10]。通过调节Wz2和Wz3的宽度，可以比较显著地调节耦合器的性能。根据参考文献[5]中的公式推导，设本征阻抗为Z0，则Z1和Z2的值分别为0.829Z0与0.837Z0。图2中给出S11随Wz3的变化图，从图中可以看出，调节Wz3的大小可以显著地改变S11。因此，在匹配网络中引入阶梯阻抗结构可以增加仿真优化的灵活度。

图1 在耦合器输入端加入的匹配网络

图2 S11随Wz3的变化图

1.2 缺陷地结构（DGS）

为了增加匹配网络中微带线的宽度以便利于加工，在耦合器的接地面加入5个串联的“哑铃型”缺陷地结构（DGS），如图3所示，其中灰色部分为金属覆盖面，空白处为刻蚀处，图4所示为耦合器正面示意图。参考文献[9]中对“哑铃型”缺陷地给出了详细的理论分析，通过刻蚀缺陷图案，可以改变电路衬底材料有效介电常数的分布，从而改变微带线的分布电感和分布电容，使得由DGS构成的微带线具有带阻特性和慢波特性。通过优化，最终DGS的宽度为2.5 mm，总长度为35 mm。

图3 耦合器接地面示意图

图4 耦合器正面示意图

1.3 耦合器的结构

针对我国LTE移动通信有TD-LTE和FDD-LTE两种制式并具有 1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多个频段的特点，所设计的耦合器得覆盖 1.75 GHz～2.7 GHz频段。根据参考文献[5]和参考文献[12]中的分析，采用厚度h=0.8 mm的FR4介质作为基片。耦合器结构如图5，其尺寸为L×W=28.7 mm×104.3 mm。其各部件的具体尺寸如表1。

图5 耦合器结构图

表1 耦合器各部件的设计尺寸

2 仿真与测试结果

利用Ansoft HFSS对耦合器进行仿真设计并进行了实物加工，图6中给出了耦合器实物图。用矢量网络仪对实物进行测试，将测试结果与仿真结果进行对比。图7中给出了输入端和隔离端的S参数仿真与测试对比图，从中可以看出，仿真数据与测试数据吻合良好，在1.75 GHz～2.7 GHz频段内，S11和 S41都小于-12.5 dB，并且最低点处能达到-40 dB以下。在图8中给出了直通端和耦合端的S参数仿真与测试对比图，从中可以看出测试结果与仿真结果吻合良好，S21和S31都在-5 dB左右，并且|S21-S31|≤1 dB。因此综合此耦合输入端、直通端、耦合端及隔离端的各S参数可知，此耦合器性能良好，达到了设计的要求，具有较强实用价值。

图7 输入端和隔离端的S参数仿真与测试对比图

图8 直通端和耦合端的S参数仿真与测试对比图

3 结束语

本文通过在普通对称分支线耦合的输入端加入具有阶梯阻抗结构的匹配网络，改善了耦合器直通端和耦合端的性能，使其具有了宽带特性。选用0.8 mm厚度的FR4介质材料作为基片，利用Ansoft HFSS软件设计仿真出一个频段为 1.75 GHz～2.7 GHz覆盖 TD-LTE、FDD-LTE及WLAN的宽带耦合器。对其进行了实物加工。运用矢量网络仪对实物进行测试，测试结果与仿真结果吻合良好。此耦合器性能良好，结构简洁，成本低，易于加工，具有较强的实用价值。

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